微后坐冲锋枪全枪有限元仿真研究

2015-02-02张克，袁点

兵器装备工程学报 2015年12期

关键词：冲锋枪有限元

张　克，袁　点

(中国兵器工业第二〇八研究所，北京　102202)

微后坐冲锋枪全枪有限元仿真研究

张克，袁点

(中国兵器工业第二〇八研究所，北京102202)

摘要：为研究某新型微后坐冲锋枪采用的迁移式自动机的抽壳过程及自动机的运动情况，并对已完成结构设计的冲锋枪模型中的关重零件强度进行研究，因抽壳过程的高压、瞬时性和复杂性，且其自动机运动时多体接触比较复杂，为对微后坐冲锋枪的研究工作带来了一定的难度；使用ABAQUS有限元分析软件，建立起了包含弹壳弹膛系统、迁移式自动机系统的全枪有限元模型，施加了火药气体力和复进簧力等载荷，对抽壳过程和关重件进行了强度与刚度分析。研究结果表明：抽壳过程安全可靠，主要零件强度刚度均达到设计要求，研究结果对新一代冲锋枪的研制有一定的现实意义，该研究方法也可为其他自动机武器分析研究供参考。

关键词：微后坐；冲锋枪；有限元；迁移式自动机；ABAQUS

本文引用格式：张克，袁点.微后坐冲锋枪全枪有限元仿真研究[J].四川兵工学报，2015(12):1-5.

Citation format:ZHANG Ke, YUAN Dian.Finite Element Analysis of Whole Micro-Recoil Submachine Gun[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):1-5.

Finite Element Analysis of Whole Micro-Recoil Submachine Gun

ZHANG Ke, YUAN Dian

(No.208 Research Institute of China Ordnance, Beijing 102202, China)

Abstract:Aimed at researching the process of extracting shell and the motion of vector-automatic mechanism used in micro-recoil submachine gun, the key parts’ strength and stiffness of the submachine gun model with completed structure were analyzed. While, with the extraction in high pressure and short time, the process and the whole structures’ multi-body were very complex, which increases difficulties to the study. By using FEA software-ABAQUS, we established the finite element analysis model which included cartridge-case and chamber system and the vector-automatic mechanism system, and the load was applied by powder gas force and recoil spring force and the extraction, and key parts for the strength and stiffness were analyzed. The results show that extraction is safe and reliable, and the main parts’ strength and stiffness meets the design requirement. The study results have certain practical significance on the development of a new generation of sub-machine gun and this research method can also be used in the analysis and research of other automatic weapon.

Key words:micro-recoil; submachine gun; finite element analysis; vector-automatic mechanism;

ABAQUS

某微后坐冲锋枪采用迁移式自动机结构，迁移式自动机的枪机经一段直线后坐后到达迁移点，改变运动方向，沿斜向下方运动，达到将后坐能量向下迁移的目的，从而能较大幅度降低武器发射时的后坐力。迁移式自动机实际上属于一种半自由枪机，其在发射时，火药在弹膛内燃烧，一方面火药燃气力作用于弹壳径向，使弹壳贴紧弹膛，完成发射时的弹膛封闭；另一方面火药燃气力用于弹底，当作用于弹底的的火药燃气力大到足够克服弹壳与弹膛挤压产生的摩擦力时，弹壳开始向后运动，挤压枪机向后运动。由于弹壳与弹膛接触及弹壳工作状况的复杂性；又因迁移式自动机属于半自由枪机，火药燃烧阶段已开始抽壳；另外，自动武器抽壳过程是一个瞬态动力学过程，对其影响因素众多。因此对迁移式自动机的抽壳进行理论计算及对相连的自动机结构进行分析研究非常困难。

1有限元分析适用性选择和基本假设

由于模型的高度复杂性和非线性，本文拟选用ABAQUS/Explicit模块进行显式动力学分析。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性问题，故适合本模型的分析。

1.1　动力学显式有限元方法

(1)

其中：P为所施加的外力；I为单元内力。

在当前增量步开始时，计算加速度为

(2)

采用中心差分方法对加速度在时间上进行积分，假定加速度为常数，应用这个速度的变化值加上前一个增量步中心速度，确定出当前增量步中点速度为

(3)

速度对时间的积分加上在增量步开始时的位移，得增量步结束时的位移：

这件事在文坛一时传为佳话，至今也为人称赞。一赞茅盾的直言，二赞阳翰笙的雅量。不过在我看来，阳翰笙面对批评的风度尤值得称道。

(4)

综上，在增量步开始时提供了满足动力学平衡条件的加速度，在时间上“显式”地向前推算出速度和位移。“显式”指在增量步结束时的状态仅依赖于该增量步开始的加速度，速度和位移。随着增量步的增加，循环以上显式分析过程，最终完成有限元模型的分析计算[3]。

由于显式方法的特点，它采用的是显式地前推模型的状态，所以不需要普通隐式计算的迭代和收敛准则。显式方法求解不需要一个节点一个节点地迭代求解，故可以容易地模拟接触条件和一些极度不连续的情况。综上，迁移式自动机的有限元模型分析可采用ABAQUS/Explicit进行分析计算。

1.2　有限元模型基本假设

火药燃烧及抽壳过程不考虑温度影响；弹膛弹壳系统弹塑性变形规律符合双折线模型；为简化有限元模型，减小计算模型量[4]。枪管较原有枪管截短，只保留了弹膛部分；枪机忽略了拉壳钩和击针，拉壳结构设置于弹底窝；有限元模型不考虑抛壳。为了划分网格方便，忽略一些不重要的结构及倒角倒圆。

2迁移式自动机有限元模型的建立

2.1　几何模型

在UG软件中，删除不参与计算的零部件和对结果影响很小的结构等，将模型导入到ABQUS/CAE中，模型如图1所示。计算模型由枪管、弹壳、枪机、平衡配重块、基座和左右侧板(左侧板已隐藏)等7部分组成。

图1　迁移式自动机几何模型

2.2　材料模型

枪管材料选用30CrNi2MoVA，这种材料经调质处理后，力学性能非常优异，材料屈服极限超过835 MPa。为了方便计算，不考虑枪管镀铬，将枪管材料简化成单一合金钢。

9 mm手枪弹弹壳材料为覆铜钢，国内的枪弹材料多为F18覆铜钢[5]，属于低碳钢，其弹性模量为2.12e11 Pa，泊松比0.288，屈服应力为235 MPa。

由于枪机与平衡配重块在运动时要进行复杂碰撞，要求强度较高，其材料选择40Cr。弹性模量为2.11e11 Pa，泊松比为0.277，屈服应力为785 MPa。左右侧板材料均选用40Cr，基座材料选用50钢。

2.3　模型的载荷及边界条件施加

将时间膛压曲线数据转存为Excel表格，使用ABAQUS自带的插件工具，将表格数据导入ABAQUS中，其中第一列数据为时间，第二列数据为膛压。将膛压幅值以压强载荷的形式施加于弹壳。

设置模型为自动接触，定义接触中的摩擦系数，使用轴向参考线段的方法设置平衡配重块与基座之间的复进簧。在模型销孔位置定义边界条件为完全固定。

2.4　迁移式自动机有限元模型

弹膛采用C3D8R单元类型，其为8节点六面体减缩单元，共27 754个单元，其网格模型如图2所示。弹壳与弹膛采用相同单元类型，共13 974个单元，其网格模型如图3所示。

图2　弹膛网格模型图3　弹壳网格模型

枪机与平衡配重块的关重部位(如枪机前后导柱，平衡配重块导槽导柱等)网格划分采用C3D8R单元类型。其他部位对分析结果影响不大，为减少划分网格的工作量使用自由网格类型，其网格类型为C3D4(4节点四面体单元)。其网格模型如图4和图5所示。

图4　枪机网格模型图5　平衡配重块网格模型

建立起的迁移式自动机有限元模型如图6所示，共382 232个单元。

图6　迁移式自动机有限元模型

3迁移式自动机有限元模型结果分析

3.1　弹壳弹膛系统有限元分析结果

对分析结果进行后处理可知，在发射过程中，枪管强度均在允许范围内。为验证抽壳的安全性，在弹壳头部易变形部位1点处测量其应力(位置如弹壳网格图3所示)，得出的其应力时间曲线如图7所示。从图7可知，应力峰值略大于9 mm手枪弹最大膛压(200 MPa)，在膛压峰值附近。手枪弹膛压相对较小，因此本型冲锋枪在高压抽壳时，抽壳阻力并不大，射击过程安全。

图7　弹壳头部应力时间曲线

在弹壳尾部2点处(位置如弹壳网格模型图3所示)抽壳时最易发生横向断裂，其应力时间曲线如图8所示。由图8可知，最大应力为150 MPa，小于弹壳材料的屈服应力(235 MPa)，抽壳过程安全可靠。

图8　弹壳尾部应力时间曲线

在弹壳尾部沿径向方向位移时间曲线如图9所示。由图9可知，在抽壳过程中，弹壳尾部在火药燃气力的作用下，径向的最大位移小于0.41 mm，变形量很小，发射过程中未出现“鼓包”现象。这也间接地验证了迁移式自动机的参数匹配合理，自动机动作安全可靠。

图9　弹壳尾部径向位移时间曲线

提取弹膛与弹壳在0.2,0.8,1.5和2.1 ms时刻的应力云图，如图10所示。从图10可知，抽壳过程安全稳定，枪管弹膛强度满足发射要求，弹壳未发生断壳、破裂等事故。

图10　弹膛弹壳系统应力云图

3.2　枪机有限元分析结果

对迁移式自动机有限元模型计算结果进行分析可知，枪机与平衡配重块延迟开锁斜面接触的尾端面是应力集中的部位，应力值随着膛内压强的增大而增大。提取膛压峰值附近0.1,0.2,0.3和0.4 ms的枪机应力云图如图11所示，从图中可知枪机最大应力值在膛压峰值附近，最大应力值为720 MPa。由于计算模型的限制，对枪机尾端导向柱和其连接枪机部位使用了不同的单元类型，以上得到的最大应力集中在网格混合部位，实际承力部位应力较小。综上可知，在整个时间历程中，枪机应力值均未超过40Cr材料的屈服极限，枪机强度满足设计要求。

图11　枪机应力云图

3.3　平衡配重块有限元分析结果

平衡配重块的应力集中部位分布在延迟开锁斜面和导向块上，最大应力发生在0.2 ms左右，其应力云图如图12所示。如应力云图所示，1点为平衡配重块延迟开锁斜面应力最大处，其应力时间曲线如图13所示；2点为导向柱应力最大处，其应力时间历程曲线如图14所示。从图13可知，1点延迟开锁斜面处最大应力为585 MPa；从图14可知，2点导向柱处的最大应力为550 MPa。1点与2点处的应力均小于屈服应力，未发生塑性变形，强度满足设计要求。